第四章--辐射定标与大气校正1要点优秀PPT.ppt

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1、地学遥感地学遥感第三章第三章 辐射校正与大气校正辐射校正与大气校正邓孺孺副教授邓孺孺副教授中山高校地理学院中山高校地理学院遥感与地理信息工程系遥感与地理信息工程系第三章第三章 辐射校正与大气校正辐射校正与大气校正n n第一节第一节 辐射定标辐射定标n n其次节其次节 辐射订正辐射订正n n第三节第三节 辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用n n第四节第四节 大气订正大气订正第一节第一节 辐射定标辐射定标（calibrationcalibration）n n辐射的偏差问题辐射的偏差问题n n定标参数的确定与获得定标参数的确定与获得n n辐射定标的种类辐射定标的种类n nDN值向辐亮度的转换值

2、向辐亮度的转换辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度辐射定标指将接收的遥感数据，通常是灰度（DNDN）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射）值，转换成实际的物理量（如辐射亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。亮度、反射率等）。辐射的偏差问题辐射的偏差问题n n传感器性能（半导体材料性能）的不稳定性传感器性能（半导体材料性能）的不稳定性传感器性能（半导体材料性能）的不稳定性传感器性能（半导体材料性能）的不稳定性n n工作过程中电压的起伏工作过程中电

3、压的起伏工作过程中电压的起伏工作过程中电压的起伏n n数据的储存数据的储存数据的储存数据的储存辐射定标的种类辐射定标的种类依据定标参数获得的途径和时间，可以分为：依据定标参数获得的途径和时间，可以分为：依据定标参数获得的途径和时间，可以分为：依据定标参数获得的途径和时间，可以分为：放射前定标（放射前定标（放射前定标（放射前定标（prelaunchprelaunch）：卫星放射前在地面上对仪）：卫星放射前在地面上对仪）：卫星放射前在地面上对仪）：卫星放射前在地面上对仪器进行反复定标器进行反复定标器进行反复定标器进行反复定标 机（星）上定标（机（星）上定标（机（星）上定标（机（星）上定标（on-b

4、oardon-board）：在仪器扫描过程中依据）：在仪器扫描过程中依据）：在仪器扫描过程中依据）：在仪器扫描过程中依据参考的标准灯光和阳光光源进行定标参考的标准灯光和阳光光源进行定标参考的标准灯光和阳光光源进行定标参考的标准灯光和阳光光源进行定标 地面目标物定标：获得卫星数据过程中，在典型地区地面目标物定标：获得卫星数据过程中，在典型地区地面目标物定标：获得卫星数据过程中，在典型地区地面目标物定标：获得卫星数据过程中，在典型地区（地物单一，具有朗伯体性质，如沙漠、清洁湖面等）进（地物单一，具有朗伯体性质，如沙漠、清洁湖面等）进（地物单一，具有朗伯体性质，如沙漠、清洁湖面等）进（地物单一，具有

5、朗伯体性质，如沙漠、清洁湖面等）进行同步光谱测量，然后用地面光谱数据对卫星遥感数据进行同步光谱测量，然后用地面光谱数据对卫星遥感数据进行同步光谱测量，然后用地面光谱数据对卫星遥感数据进行同步光谱测量，然后用地面光谱数据对卫星遥感数据进行定标行定标行定标行定标定标参数的确定定标参数的确定 定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量定标公式针对何种真实物理量 反射率？反射率？反射率？反射率？a a是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反是负数时，定标前后图象视觉相反？定标参数的确定都是对波段的波长积分定标参数的确

6、定都是对波段的波长积分定标参数的确定都是对波段的波长积分定标参数的确定都是对波段的波长积分 响响响响应应应应函函函函数数数数遥感数据的星上辐射定标遥感数据的星上辐射定标nDNDN值的影响因素值的影响因素n参考光源参考光源n地面定标测量地面定标测量n遥感数据的辐射定标遥感数据的辐射定标地表辐亮度的计算地表辐亮度的计算DNDN值的影响因素值的影响因素nDNDN：一般光敏原件：一般光敏原件电流值的离散化电流值的离散化n CCD CCD电压值的离散化电压值的离散化 仪器波段响应函数，仪器波段响应函数，入射光辐照度，入射光辐照度，仪器镜仪器镜头孔径，头孔径，瞬时视场，瞬时视场，波段宽度波段宽度参考光源参

7、考光源地面定标测量地面定标测量遥感数据的辐射定标遥感数据的辐射定标n确定响应函数，求出遥感数据确定响应函数，求出遥感数据DNDN值与入射光强的函数值与入射光强的函数关系，将关系，将DNDN值转化为入射光辐亮度。值转化为入射光辐亮度。n内部参考光源与外部参考光源相结合进行定标内部参考光源与外部参考光源相结合进行定标n地面测量相结合进行定标地面测量相结合进行定标DN值向辐亮度的转换值向辐亮度的转换通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将通常，遥感器接收到来自目标物的辐射信息后，将其转为灰度值进行存储，是为了

8、节约空间。其转为灰度值进行存储，是为了节约空间。其转为灰度值进行存储，是为了节约空间。其转为灰度值进行存储，是为了节约空间。Landsat TM:0-255NOAA AVHRR:0-1023但是，当我们开展定量分析的时候，就必需重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必需重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必需重新将但是，当我们开展定量分析的时候，就必需重新将其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。其转换回实际物理量。线形定标公式线形定标公式线形定标公式线形定标公式 L=a*DN+b定标过程一般实行线形公式进行转换：定标过程一般实行线形公式进行转换：定标过程一般实行线形

9、公式进行转换：定标过程一般实行线形公式进行转换：a(gain)a(gain)、b(offset)b(offset)通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出通常可以从遥感数据头文件读出线形区域线形区域线形区域线形区域DNL其次节其次节 辐射订正辐射订正反射率反射率的计算的计算n n电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源地物地物地物地物传感器的几何传感器的几何传感器的几何传感器的几何关系关系关系关系n n水平地面的假设水平地面的假设水平地面的假设水平地面的假设n n山地辐射订正山地辐射订正山地辐射订正山地辐射订正n n辐亮度向反

10、射率的转换辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换电磁辐射与辐射源电磁辐射与辐射源地物地物传感器的几何关系传感器的几何关系n n入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系入射辐照度下入射方向是余弦关系n n对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：对于水平地面，入射辐照度为：n对单位面积，反射辐亮度与观测射方向也是余弦关系，对单位面积，反射辐亮度与观测射方向也是余弦关系，对于水平地面，单位反射辐亮充度为：对于水平地面，单位反射辐亮充度为：n对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有

11、对足够大的地面面积，反射辐亮度仅与二向反射率有关；如地面为朗伯体且水平，则任何观测方向上其反关；如地面为朗伯体且水平，则任何观测方向上其反射辐亮度均相等。对于传感器来说，一般地物均充溢射辐亮度均相等。对于传感器来说，一般地物均充溢整个瞬时视场，故反射亮度与观测方向不是余弦关系，整个瞬时视场，故反射亮度与观测方向不是余弦关系，其反射辐亮度为：其反射辐亮度为：山地辐射订正山地辐射订正n n对于坎坷山地，象无面为坡面，入射辐照度是入射方对于坎坷山地，象无面为坡面，入射辐照度是入射方对于坎坷山地，象无面为坡面，入射辐照度是入射方对于坎坷山地，象无面为坡面，入射辐照度是入射方向与坡面法线方向的夹角之余弦

12、与入射光辐照度之积。向与坡面法线方向的夹角之余弦与入射光辐照度之积。向与坡面法线方向的夹角之余弦与入射光辐照度之积。向与坡面法线方向的夹角之余弦与入射光辐照度之积。如坡面方位角为如坡面方位角为如坡面方位角为如坡面方位角为，坡度为，坡度为，坡度为，坡度为，则入射辐照度为：，则入射辐照度为：，则入射辐照度为：，则入射辐照度为：入射方向与坡面法线方向的夹角之余弦为：入射方向与坡面法线方向的夹角之余弦为：辐亮度向反射率的转换辐亮度向反射率的转换n n反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件下的标反射率：地物反射亮度与相同光照条件

13、下的标准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。准板反射辐亮度之比。n n标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：标准板反射辐亮度为：故地物反射率为：故地物反射率为：第三节第三节 辐射与大气的相互作用辐射与大气的相互作用大气与辐射的相互作用大气与辐射的相互作用 大气对传感器接收辐射能量的影响大气对传感器接收辐射能量的影响n n对入射光的消光（对入射光的消光（对入射光的消光（对入射光的消光（extinction)extinction)n n产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）产生路径辐射（散射）(path radiance)(path

14、 radiance)n n产生天空漫射光产生天空漫射光产生天空漫射光产生天空漫射光(diffuse skylight)(diffuse skylight)n n发生地面发生地面发生地面发生地面天空的多次反射天空的多次反射天空的多次反射天空的多次反射n n邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影邻区经多次散射面混入象元反射光中，造成影像模糊像模糊像模糊像模糊(diffuse adjacency signal)(diffuse adjacency signal)传感器接收的辐亮度传感器接收的辐亮度路径辐射（散射）路径辐

15、射（散射）(path radiance)分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射分别为大气分子和气溶胶的路径散射x为r或a，分别表示大气分子和气溶胶的路径散射大气分子或气溶胶的平均一次散射反照率为散射相函数散射角散射角为散射角，是入射方向与观测方向的夹为散射角，是入射方向与观测方向的夹为散射角，是入射方向与观测方向的夹为散射角，是入射方向与观测方向的夹角角角角分别为入射方向与观测方向天顶角分别为入射方向与观测方向天顶角相函数相函数表示后向散射表示后向散射表示后向散射表示后向散射表示前向散射地面反射辐射地面反射辐射对入射光的消光（对入射光的

16、消光（extinction)到达地面的太阳直射光辐照率为：到达地面的太阳直射光辐照率为：大气层外平均日地距离太阳辐照度，平均和成象时的日地距离分别为容积散射和吸取系数入射天顶角整层大气光学厚度天空漫射光天空漫射光多次反弹反射率多次反弹反射率行星反射率行星反射率第四节第四节 大气订正方法大气订正方法1 1 已知大气状况的校正方法已知大气状况的校正方法n n 假如已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽假如已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽假如已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽假如已知大气的垂直廓线（温、湿、压），大气水汽含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，大

17、气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们含量，大气光学厚度（气溶胶），以及气溶胶模式，我们可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射可以通过大气辐射传输模式模拟，计算三个不同地表反射率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到率条件下的大气层顶辐射亮度，进而求解得到 a a a a 和和和和 b b b b 值，值，值，值，而达到大气效应订正的目的。对于可见光而

18、达到大气效应订正的目的。对于可见光而达到大气效应订正的目的。对于可见光而达到大气效应订正的目的。对于可见光/近红外波段而近红外波段而近红外波段而近红外波段而言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变更，即言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变更，即言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变更，即言，大气状况最主要的影响因素是大气气溶胶的变更，即大气光学厚度的变更，因此关键是如何估算遥感图像的气大气光学厚度的变更，因此关键是如何估算遥感图像的气大气光学厚度的变更，因此关键是如何估算遥感图像的气大气光学厚度的变更，因此关键是如何估算遥感图像的气溶胶分布。溶胶分布。溶胶分布。溶胶分布。2

19、2 2 2 参考地物法参考地物法参考地物法参考地物法(InvariantObject Methods)(InvariantObject Methods)(InvariantObject Methods)(InvariantObject Methods)n n 对于对于对于对于TMTMTMTM等高辨别率的图像，通常可以假设整幅图等高辨别率的图像，通常可以假设整幅图等高辨别率的图像，通常可以假设整幅图等高辨别率的图像，通常可以假设整幅图像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看像的大气状况相同，图像的观测天顶角也可以近似看像的大气状况相同，图像的观

20、测天顶角也可以近似看作相同（垂直观测），假如可以在一幅图像中找到苦作相同（垂直观测），假如可以在一幅图像中找到苦作相同（垂直观测），假如可以在一幅图像中找到苦作相同（垂直观测），假如可以在一幅图像中找到苦干个（干个（干个（干个（3 3 3 3个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以个以上）地表反射率固定不变的地物，则可以通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大通过求解方程组得到大气参数，进而达到整幅图像大气校正的目的。

21、气校正的目的。气校正的目的。气校正的目的。n n 理论上，理论上，理论上，理论上，n3n3n3n3即可求解，但为避开方程的相关即可求解，但为避开方程的相关即可求解，但为避开方程的相关即可求解，但为避开方程的相关性，一般要找寻地表反射率分别为高、中、差的地物性，一般要找寻地表反射率分别为高、中、差的地物性，一般要找寻地表反射率分别为高、中、差的地物性，一般要找寻地表反射率分别为高、中、差的地物作为参考物。作为参考物。作为参考物。作为参考物。n n该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适该方法对于时间序列的多幅影像的归一化校正适该方法对于时间序列的多幅影

22、像的归一化校正适用。用。用。用。3 3 暗目标方法（暗目标方法（Dark-Object MethodsDark-Object Methods）n n假如图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见假如图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见假如图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见假如图像中包含有浓密的植被，因为浓密植被在可见光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的光反射率很低，被称为暗目标，因此传感器所接收的辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大

23、气光学厚辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚辐射主要来自于大气的程辐射，可以用于大气光学厚度的估算，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：度的估算，其算法的基本思路如下：n na.a.a.a.确定暗目标的存在：阴影或无风浪的清洁水体（最确定暗目标的存在：阴影或无风浪的清洁水体（最确定暗目标的存在：阴影或无风浪的清洁水体（最确定暗目标的存在：阴影或无风浪的清洁水体（最好是山间水库），；好是山间水库），；好是山间水库），；好是山间水库），；n nb.b.b.b.用植被指数高和红外波段反射率低的特性；或利用用植被指数高和红外波段反射率低的特性

24、；或利用用植被指数高和红外波段反射率低的特性；或利用用植被指数高和红外波段反射率低的特性；或利用中红外通道（中红外通道（中红外通道（中红外通道（2.1 um 2.1 um 2.1 um 2.1 um 和和和和3.8 um 3.8 um 3.8 um 3.8 um）的反射率低的特性，）的反射率低的特性，）的反射率低的特性，）的反射率低的特性，估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；估测暗像元在可见光通道的反射率；c.c.c.c.给给给给定定定定气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶模模模模式式式式（气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶谱谱谱谱分分分分布布布布，折折折

25、折射射射射指指指指数数数数，单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；单次散射反照率等）；d.d.d.d.利利利利用用用用对对对对动动动动态态态态气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶模模模模型型型型计计计计算算算算的的的的辐辐辐辐射射射射传传传传输输输输查查查查找找找找表表表表，将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；将遥感观测的辐射亮度反演为气溶胶光学厚度；e.e.e.e.利利利利用用用用得得得得到到到到的的的的气气气气溶溶溶溶胶胶胶胶光光光光学学学学厚厚厚厚度度度度对对对对整整整整幅幅幅幅遥遥遥遥感

26、感感感影影影影像像像像进进进进行行行行内内内内插插插插，得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；得到整幅图像的光学厚度；f.f.f.f.对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。对整幅影像进行大气校正。4 4 其它大气校正方法其它大气校正方法n n直方图匹配法直方图匹配法直方图匹配法直方图匹配法(Histogram Matching Methods)(Histogram Matching Methods)(Histogram Matching Methods)(Histogram Matching Methods)：假：假：假：假设

27、晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分设晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分设晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分设晴空条件与大气浑浊条件下地表反射率的直方图分布相同布相同布相同布相同;算法被算法被算法被算法被ERDASERDASERDASERDAS和和和和PCIPCIPCIPCI等图像处理软件接受；等图像处理软件接受；等图像处理软件接受；等图像处理软件接受；n n反差削减法（反差削减法（反差削减法（反差削减法（Contrast Reduction MethodsContrast Reduction MethodsContrast Reduction MethodsCon

28、trast Reduction Methods）：气）：气）：气）：气溶胶散射减小地表反射率的差异，因此局部图像方差溶胶散射减小地表反射率的差异，因此局部图像方差溶胶散射减小地表反射率的差异，因此局部图像方差溶胶散射减小地表反射率的差异，因此局部图像方差可以用于估算气溶胶光学厚度可以用于估算气溶胶光学厚度可以用于估算气溶胶光学厚度可以用于估算气溶胶光学厚度;3 3交叉辐射项的影响交叉辐射项的影响又又称称为为临临近近像像元元效效应应。我我们们假假定定目目标标是是均均一一条条件件下下获获得得大大气校正的地表反射率为气校正的地表反射率为 ，其公式如下：，其公式如下：考虑临近像元的影响，则有如下关系：

29、考虑临近像元的影响，则有如下关系：其中其中式中式中 是以目标像素为坐标原点的局部坐标系坐标值，是以目标像素为坐标原点的局部坐标系坐标值，是大气点扩散函数（是大气点扩散函数（Point Spread FunctionPoint Spread Function）。在在实实际际应应用用中中，是是由由原原始始图图像像中中校校正正像像元元为为中中心心的的2N2N2N2N像元子域计算得到的像元子域计算得到的:其中其中 表示像元表示像元 距中心的距离。距中心的距离。4.4.非朗伯体条件下的大气校正非朗伯体条件下的大气校正假假如如考考虑虑地地表表BRDFBRDF和和大大气气BRDFBRDF之之间间的的耦耦合合，则则朗朗伯伯体体假假设设条条件件下下的的大大气气校校正正的的精精度度是是有有局局限限的的，最最早早探探讨讨这这一一效效应应的的是是TanreTanre等等（19831983），目目前前在在6S6S模型中已比较好地考虑了模型中已比较好地考虑了BRDFBRDF的耦合效应。的耦合效应。其中事实上，非朗伯体大气校正是一个特别困难的问题，因为以上面的公式我们知道，要进行大气校正必需知道地表的BRDF即 ，而通常在大气校正前地表的双向反射率是未知的，这就形成大气校正环的问题，目前的主要思路是通过迭式的方法来解决（胡宝新，李小文等）。